Gånganalys. Introduktion. Disposition. Mät- och analysmetoder. Kinematik

Transkript

1 Gånganalys Håkan Lanshammar Avdelningen för systemteknik Inst f informationsteknologi Uppsala universitet vt 02 Föreläsning inom kurs i medicinsk informatik Introduktion Några viktiga tillämpningsområden: - kirurgisk behandling - proteser, ortoser - medicinsk behandling - barnhabilitering Andra tillämningsområden innefattar rehabilitering, sportbiomekanik och ergonomi, robotik, animeringar inom filmindustrin 1 2 Vad är Biomekanik? Grundbegrepp Kinematiska och kinetiska mät- och analysmetoder Rörelseanalys Belastningsanalys Energianalys Framtida metoder Disposition Biomekanik Biomekanik är mekanik, tillämpat på biologiska system. Viktiga områden är: Metodik (neuromuskular dynamik, stelkropps och mjukdelsmekanik), Muskelmekanik,Benmekanik, Implantat/vävnadsmekanik, sk biomekanik, Kardiovaskulär/respiratorisk mekanik, Dentalbiomekanik, Skadebiomekanik, Rehabiliteringsbiomekanik, Sportbiomekanik. 3 4 Mät- och analysmetoder Vanliga mätdata: - Kinematik: - 3D koordinater - Ledvinklar - Kinetik: - Yttre krafter: Kraftplattor - Muskelaktiviteter: EMG (- Inre krafter: Kraftgivare i proteser) Kinematik Mätning av 3D koordinater: - Automatisk följning av aktiva (eller passiva) markörer. Ett dussintal kommersiella system finns tillgängliga, t ex ProReflex, Vicon, elite,

2 Mätning av 3d Koordinater Exempel: ProReflex 240 bilder/sekund Upplösning: 1:60000 Upp till 150 markörer Max. mätavstånd: 75m Max antal kameror: Exempel: Vicon Elektromagnetiska givare t ex Polhemus 9 10 Ledvinklar Yttre krafter: Kraftplattor Goniometrar - Potentiometrar monterade över leder - Flexibla goniometrar Piezo-elektrisk kraftplatta: Kistler AG

3 F skelett F akilles Fotled h akilles Tryckfördelning över fotsulan, stelopererad stortå F led = F skelett - F akilles Förenklad belastningsanalys i fotleden Approximativa uttryck för muskelkraft och skelettkraft: M led Knäled F muskel = F F = F + F h muskel stöd skelett stöd muskel F led Exempel: h tp m uf g F stöd 15 Om stödkraftens hävarm är dubbelt så stor som muskelns, så blir muskelkraften dubbelt så stor som stödkraften! 16 Kraftanalys i knäleden med underben+fot som frikropp Ledpositioner, hastigheter, accelerationer Stödkrafter Kropppsparametrar (m, J...) i i Mekanisk modell av människokroppen Muskelkrafter och -moment Skelettkrafter och -moment Kraftanalys i knäleden med allt ovan knäet som frikropp. Analysen kan göras med mätning på Viforbilder. In- och utdata från en s k invers dynamisk modell

4 Mekanisk energi Mekanisk energi E = E + E = mv + Jω + mgh tot kin pot E = E + E = mv + Jω + mgh tot kin pot 2 2 Rörelseenergi Lägesenergi Rörelseenerg i Lägesenergi Framtida metoder Bildbehandling av videosekvenser (Halvorsen, Uppsala universitet, 1999) Markörfri rörelsemätning: - Obehindrad rörelse - Inga problem med markörer som rör sig pga hudrörelser - Enklare mätningar - Enklare analys - Nya tillämpningar Bakgrund borttagen Likelihood-bild Kantdetektion Distanstransform Använd kroppsmodell Modellmatchning till videobild Före matchning Efter Matchning

5 Nuläge och framtid Många svårigheter återstår med markörfria metoder: - Skymda/skuggade konturer - Formförändring pga muskelkontraktioner Markörfria och markörbaserade metoder kommer troligen att användas parallellt under många år för olika ändamål Medicinsk systemteknik - Biomekanik FORSKNING Mätning och analys av människans rörelser Analys av ledkrafter Analys av balansfunktioner GRUNDUTBILDNING Medicinsk systemteknik Medicinsk informatik FORSKARUTBILDNING Systemanalys med människan som studieobjekt Bildanalys 4 lab vid UU Systemteknik Numerisk analys Neurologi Tack!! 27 5